DE976381C

DE976381C - Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht auf thermisch hoch beanspruchten, zunderfesten Metallteilen

Info

Publication number: DE976381C
Application number: DEA16842A
Authority: DE
Inventors: Hannes Giger
Original assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BROWN AG; BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1952-10-29
Filing date: 1952-11-09
Publication date: 1963-07-25

Description

AUSGEGEBEN AM 25. JULI 1963

A 16842 VIb 148 c

Thermisch hoch beanspruchte, metallische Bauteile von Wärmekraftmaschinen, z. B. von Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren, werden in bekannter Weise mit Emailschutzschichten versehen, um sie vor chemischen Angriffen zu schützen. Üblicherweise werden solche Schutzschichten auf die Oberfläche der zu schützenden Teile aufgestrichen oder aufgebrannt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß solche Schutzschichten von gewissen ίο Verbrennungsprodukten, z. B. von vanadiumhaltiger Brennölschlacke, in ruhender Luft nach kurzer Zeit stark angegriffen oder gänzlich ab^ getragen waren. Bei Bauteilen, die einem Gasstrom hoher Geschwindigkeit ausgesetzt sind, wird die Schutzschicht noch stärker beansprucht. In solchen Fällen ist die mangelhafte Verankerung der Schutzschicht die Ursache des Versagens. Eine unzerstörbare Verankerung der Schutzschicht in der Oberfläche der metallischen Unterlage ist notwendig, soll bei rasch strömenden, heißen Gasen eine Erosion und Korrosion des Trägermetalls verhindert werden.

Zu den bekannten Schutzschichten gehören beispielsweise solche aus pulverförmigenMetalloxyden

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oder Oxydgemischen. Es ist auch die mechanische Befestigung von Schutzstoffen bekannt, z. B. an den Arbeitsflächen von Werkzeugen. Diese Schutzschichten dienen verschiedenen Zwecken: dem Schutz nicht zunderfester Metalle gegen Angriffe durch,Sauerstoff oder der Herstellung harter, verschleißfester Oberflächen auf Metallen, insbesondere ?aui Werkzeugen, wie Meißel, Bohrer u. dgl., oder auch der Auskleidung von Lagerschalen. Es werden verschiedene Verfahren, wie Aufschmelzen, Aufdampfen, Aufsintern usw., verwendet, um Metalle, wie Wolfram, Molybdän, Niob und Tantal, die sehr leicht zundern, mit Überzügen aus Metalloxyden zu versehen. Bekannt ist auch ein Verfahren zur Herstellung harter, verschleißfester Oberflächen auf Metallen (Werkzeugen) durch Bildung von Karbiden sowie das Anschweißen oder Einklemmen von Karbiden in Nuten des zu behandelnden Werkzeuges. Auch sind

ao Verfahren bekannt, hochschmelzende Oxyd- oder Karbidschichten auf Metalloberflächen aufzubringen, um die chemische und vor allem mechanische Widerstandsfähigkeit derselben zu erhöhen. Bei diesen bisher bekannten mechanischen Verfahren zur Aufbringung der Schutzschichten konnte jedoch im wesentlichen nur eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit erzielt werden, während ihr Nachteil darin besteht, daß die mechanisch aufgebrachten Schutzschichten ein verhältnismäßig lockeres Gefüge besitzen, so daß gewisse aggressive Schlacken zwischen den Körnern der Schutzschicht eindiffundieren und das Trägermaterial angreifen können. Elektrische Heizkörper aus sauerstoffempfindlichen Metallen, wie Molybdän,. Wolfram, Tantal oder deren Legierungen, sind auch schon mit einem gasdicht verfestigten, Chromoxyd enthaltenden Schutzmantel versehen worden, und Platindrähte von Widerstandsthermometern hat man mit einer deckenden Schicht aus Aluminiumoxyd überzogen.

Mittels Schutzschichten sind auch Meßgeräte gegen das Eindringen von Fremdstoft'en geschützt worden. Bekannt sind schließlich auch die Verfahren zur Herstellung von Verbundmetallen, bei welchen mehrere Schichten aus pulverförmigen Metallen oder deren Verbindungen der gemeinsamen Sinterung unterworfen werden.

Nun aber wurden solche Schutzschichten, z. B. in Brennkammern von Gasturbinen, in kurzer Zeit gänzlich abgetragen. Zu Beginn der Entwicklung der Brennkammern wurde diese mit feuerfesten Steinen ausgekleidet. Mit Ausnahme des Magnesiumoxydes wurden alle übrigen Materialien (Schamotte, Siliciumoxyd, Aluminiumoxyd usw.) von der flüssigen, vanadiumhaltigen, heißen Schlacke in kurzer Zeit stark angegriffen. Steine aus Magnesiumoxyd haben aber den großen Nachteil, bei den vorkommenden starken Temperaturschwankungen leicht zu reißen (Ausdehnungskoeffizient so groß wie der des Eisens). Das zwang die Konstrukteure, die Brennkammerwände aus zunderbeständigen Blechen aufzubauen. Man erreicht so auch geringere Gewichte, was besonders für Gasturbinenlokomotiven wichtig· ist. Leider hielten auch diese Bleche dem Angriff der vanadiumhaltigen, flüssigen Schlacke nicht stand (Wandtemperaturen bis über 900⁰ C). Man suchte deshalb nach einer Lösung, welche die Vorteile des Magnesiumoxydes mit denen des zunderfesten Stahles verband.

Die Lösung schien darin zu bestehen, möglichst viel Magnesiumoxyd mittels eines Bindemittels auf die Stahlblechoberfläche festhaftend aufzubringen. Als Baumaterial für die Brennkammerwand eignet sich insbesondere Chromstahl mit etwa 14 bis 30% Chrom, Rest Eisen. Auf Chromstahl läßt sich Email, das Chromoxyd enthält, festhaftend einbrennen. Das Email wird so zusammengesetzt, daß seine Ausdehnungszahl nur etwas kleiner ist als die des Chromstahles. Die erstarrte Schicht steht dann unter Druckspannung.

Mischt man diesem fertigen Emailpulver Magnesiumoxyd in Pulverform bei, dann widersteht das Email dem Angriff durch die flüssige, vanadiumhaltige Schlacke. Die beste Lösung gab ein Auftrag in mehreren Schichten mit nach außen zunehmendem Gehalt an Magnesiumoxydpulver.

Im Betrieb zeigte sich aber, daß das sehr rasch strömende, heiße Gas (bis 700⁰ C und höher) die Emailschichten auf der.Brennkammerwand bis auf den Grund mitriß. Daraus ergab sich die Forderung einer einwandfreien \^erankerung der ersten schlackenfesten Schicht in der Oberfläche des Metalls..

Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht auf thermisch hoch beanspruchten, zunderfesten Metallteilen von Gasturbinen u. dgl. zu deren Schutz gegen Angriffe durch vanadiumhaltige, flüssige Brennstoffschlacken, wobei eine erste Schicht aus pulverförmigen oxydischen Materialien oder Metall- too karbiden auf mechanische Weise festhaftend in deren Oberfläche verankert wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Schichten chromoxydhaltige Emailschichten durch Einbrennen auf die erste Schicht aufgebracht werden, welche in steigender Menge Magnesiumoxyd oder Oxyde von Aluminium, Beryllium, Thorium oder Zirkon als Zusätze beigemischt enthalten.

Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur die beispielsweise Ausführungsform einer Schutzschicht, an Hand deren Aufbau das zu ihrer Herstellung angewandte, erfindungsgemäße Verfahren nachstehend noch näher beschrieben werden soll. In der Zeichnung stellt 1 einen zu schützenden metallischen Bauteil dar, während 2 eine Schutzschicht aus pulverförmigem Material veranschaulicht. Es ist bekannt, daß z. B. hochschmelzende Metalloxyde, insbesondere Magnesiumoxyd, aber auch die Oxyde von Aluminium, Beryllium, Thorium und Zirkon, den Angriffen einer vanadiumhaltigen Brennölschlacke besonders gut widerstehen. Solche Oxyde lassen sich aber nicht direkt auf Metalle festhaftend auftragen. Entweder braucht es dazu nach bekanntem Verfahren eine Emailunterlage als bindende Schicht, die sowohl an Metall wie auch an Metalloxyden gut haftet, oder

die schützende Schicht kann nach der Erfindung als Pulver in unzerstörbarer Verbindung in der Oberfläche der metallischen Unterlage verankert werden.

Das Verankern des pulverförmigen Materials in der Oberfläche des zu schützenden Teiles kann durch Walzen, Pressen oder Hämmern erfolgen, und zwar sowohl wenn der zu schützende Teil kalt wie auch wenn er heiß ist. Beispielsweise kann bei Blechen, die mit einer Schutzschicht zu versehen sind, deren mechanische Verbindung mit der Unterlage so erfolgen, daß das Metalloxyd in Pulverform zwischen zwei Bleche dicht und gleichmäßig verteilt wird, worauf bei kaltem oder heißem Metall das Ganze gewalzt wird. Werden hernach die Bleche voneinander abgehoben, so ist jedes einseitig mit einer gleichmäßigen Schutzschicht aus pulverförmigem Material versehen, die fest in die Oberfläche verankert ist. Das Metalloxydpulver dringt in die Oberfläche des Metalls ein und verbindet sich sehr gut mit diesem, weil diese Körner auch bei etwa iooo⁰ C noch sehr druckfest sind und sich deshalb nicht verformen. Die Korngröße der Oxydkörner kann von etwao.i μ bis ι mm betragen.

An Stelle von Metalloxyden können auch Metallkarbide, z. B. Chromkarbide, metallisches Chrompulver oder pulverförmige Chromlegierungen, in die kalten oder glühenden Metalloberflächen mechanisch eingewalzt, eingehämmert oder eingepreßt werden.

Die im Metall verankerte Schicht pulverförmigen Materials kann entweder in bekannter Weise als Schutzschicht dienen, oder aber sie kann als fest verankerte Haftschicht für den Auftrag weiterer Schutzschichten 3, 4, 5 und 6 verwendet werden. Diese Schichten bestehen nach dem deutschen Patent 926 707 aus chromhaltigem Email, welchem in steigender Menge Magnesiumoxyd oder Oxyde von Aluminium, Beryllium, Thorium oder Zirkonium beigemischt sind. So kann die Schicht 3 4.0 zu etwa 80% aus chromoxydhaltigem Email und zu etwa 20°/o aus Oxydpulver zusammengesetzt sein. In den weiteren Schichten 4, 5 und 6 kann der Gehalt an Oxydpulver schrittweise auf je etwa 30, 40 bzw. 50% zunehmen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn sowohl als pulverförmiges Material für die erste Schicht 2 wie auch als keramischer Zusatz für die weiteren Schichten 3 bis 6 Magnesiumoxyd verwendet wird.

Das Aufbringen von Emailschichten auf die als fest verankerte Haftschicht dienende erste Schicht 2 aus pulverförmigem oxydischem oder karbidischem Material hat den Vorteil, daß die Emailschichten, die ihrerseits hohe chemische Beständigkeit gegenüber den in Frage kommenden Schlacken aufweisen, zugleich eine sichere Abdichtung der körnigen Struktur der ersten Schicht bewirken und eine Zwischenkornreaktion der aggressiven Schlacken verhindern. Andererseits ist die kömige Struktur der oxydischen oder karbidischen ersten Schicht sehr geeignet, um den Emailschichten die erforderliche Haftfestigkeit zu verleihen, an welche infolge der hohen Geschwindigkeiten in Strömungsmaschinen besonders hohe Anforderungen gestellt werden.

Claims

PATENTANSPRUCH:

Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht auf thermisch hoch beanspruchten, zunderfesten Metallteilen von Gasturbinen u. dgl. zu deren Schutz gegen Angriffe durch vanadiumhaltige, flüssige Brennstoffschlacken, wobei eine erste Schicht aus pulverförmigen oxydischen Materialien oder Metallkarbiden auf mechanische Weise festhaftend in deren Oberfläche verankert wird, dadurch gekennzeich net, daß als weitere Schichten chromoxydhaltige Emailschichten durch Einbrennen auf die erste Schicht aufgebracht werden, welche in steigender Menge Magnesiumoxyd oder Oxyde von Aluminium, Beryllium, Thorium oder Zirkon als Zusätze beigemischt enthalten.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 618063, 639922, 694635, 277380, 548239,609165,612754,866002; schweizerische Patentschrift Nr. 186 611;

britische Patentschrift Nr. 475667;

USA.-Patentschriften Nr. 2289658, 2374747;

Zeitschrift »Metallforschung«, Jg. 1946, S. Si u. ff.;

Stuckert: »Die Emailfabrikation«, 2. Auflage, 1941, S. 137.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 926707.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 609 659/258 10.56 (309 644/7 7.65)